EP1202313A1 - Einrichtung in der Sicherheitstechnik zur Kontrolle der Schaltstellung mechanischer Schaltkontakte - Google Patents

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EP1202313A1
EP1202313A1 EP00122967A EP00122967A EP1202313A1 EP 1202313 A1 EP1202313 A1 EP 1202313A1 EP 00122967 A EP00122967 A EP 00122967A EP 00122967 A EP00122967 A EP 00122967A EP 1202313 A1 EP1202313 A1 EP 1202313A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
working
switch
circuit
control
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00122967A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alois Ineichen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safecom Ag
Original Assignee
Safecom Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safecom Ag filed Critical Safecom Ag
Priority to EP00122967A priority Critical patent/EP1202313A1/de
Publication of EP1202313A1 publication Critical patent/EP1202313A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/16—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off"
    • H01H9/168—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off" making use of an electromagnetic wave communication
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H02H1/003—Fault detection by injection of an auxiliary voltage

Definitions

  • the present invention relates to a device, in particular for use in security technology, for checking the switch position of mechanical switch contacts, containing for each work contact to be checked a mechanical control contact that is permanently assigned to it and is electrically isolated from it, acts as a normally closed contact, and a control circuit for monitoring the control contact with a generator acting on it for generating a control signal and with a detector fed by it for receiving the control signal and with an evaluation circuit for delivery of a security signal.
  • Devices of the specified type serve to identify and secure faulty contact positions in electro-mechanical switching devices such as Relays or contactors. They meet the safety requirements according to EN 954-1, VDE 0801 & A1 and IEC 61508 and are therefore general to Safety devices applicable such as for personal protection at dangerous machines.
  • the safety function in the safety-related interconnection of mechanical contacts must be carried out by interrupting the work group, ie by opening the corresponding work contact.
  • Working contacts on relays or contactors can stick or even weld, which means that the securing function can no longer be triggered.
  • the make contact and the normally closed contact controlling it are mechanically connected to one another with a bridge, this bridge being made of an electrically insulating material.
  • Such a connection called a forced connection, makes it impossible for them to move relative to one another, thus ensuring a fixed and constant mutual assignment of their switching positions.
  • the work contact (a make contact) does not open because it is e.g. B. is glued, the counter contact (an NC contact) can not necessarily close ie with high certainty.
  • This is recognized in a control circuit that is electrically isolated from the make contact and is indicated by an error signal that the make contact has not opened and the securing function is therefore no longer guaranteed.
  • This safety-related concept is based on periodic checks and is characterized in that a safety-related work contact is always designed as a make contact and the normally closed contact that controls it is always designed as a break contact. The security achieved in this way corresponds to that of a monitored non-redundancy.
  • the invention as characterized in the claims, has as its object to ensure the periodic control of the contact positions with electronic means necessary in the safety-related use of electro-mechanical switching devices and to dispense with the use of positively guided counter contacts. This object is achieved with the invention described in the characterizing features of the independent claim. Advantageous further developments are specified in the dependent claims. In addition, a device designed in this way has additional advantages in the case of mechanical switch contacts.
  • Fig. 1 shows schematically, as a block diagram, the inventive device as a replacement for positively driven contacts z. B. with a relay.
  • the known arrangement of positively driven contacts consists of a normally open contact (1), a normally closed contact / control contact (2), and a cage (3), which mechanically rigid, but the two contacts (1,2) electrically insulated.
  • the two contacts (1, 2) are clearly assigned to one another in their switching positions and are electrically isolated from one another.
  • This arrangement makes it possible to conclude from the closing of the control contact (2) that the associated, safety-relevant work contact (1) has actually opened, ie is not glued or welded.
  • a changeover switch (K) with normally open contact (ab) and opposite control contact (ac) is provided, which via the control line (4) with the one controlling the system M processor (5) is connected, and which is in its switching position (ab) part of a working group (6) and in its switching position (ac) part of a control circuit (7).
  • An operating current is connected between the terminals (8) and (9) via the switch position (down) of the changeover switch (K), for example for operating an item of equipment not shown here.
  • an HF signal (HF) is switched in the control circuit (7) from an HF generator (10) via coupling capacitances (11, 12) to an HF detector (13) which detects the received HF Forwarding the signal via the connecting line (14) to the M processor (5).
  • This has two safety outputs (15) and (16) for displaying the control results for the changeover switch (K) and for the control circuit (7).
  • Fig. 2 shows in detail a possible embodiment of the inventive device according to Fig. 1b as an integral part of a fully electronic system control using an M processor (5).
  • an operating voltage (V) is switched to an item of equipment (20) via the switch position (ab) of the changeover switch (K).
  • an interference suppression capacitance (21) is switched on in the working group (6) between the working line and the virtual earth, in order to derive interference from the HF signal (HF), interspersed, for example, via parasitic capacitances from the control circuit (7) into the working group (6).
  • HF HF signal
  • the control circuit (7) contains an RF generator (10) and an RF detector (13), both via coupling transformers (24, 25), coupling capacitances (11, 12) and the switching position (ac) of the switch (K) with each other are connected.
  • the HF detector (13) consists of an amplifier / logarithmizer (22) and an A / D converter (23) for processing the received HF signal (HF) and forwarding it to the M processor (5) via the Connection line (14).
  • the M processor (5) has two outputs (15) and (16) to display the control results for the changeover switch (K) and for the control circuit (7).
  • the coupling transformers (24, 25) and the coupling capacitors (11, 12) are designed for an insulation voltage of 4 kV.
  • the system-controlling M processor (5) is also connected to the changeover switch (K) via the control line (4).
  • FIG. 3 shows a further development of the application according to the application according to FIG. 2, with the exception of the HF generator (35) and the equipment (31), all circuit elements are provided in duplicate.
  • K1 and K2 are two change-over switches, the contacts of which are connected in series and which, in the switching positions (a1b1) and (a2b2), as part of the working group (30), an item of equipment (31) via terminals 8 and 9 with the Connect power supply.
  • the interference suppression capacitances (32) and (33) the HF components which are scattered onto the working line via parasitic capacitances are derived on earth.
  • the working group designated (30) therefore consists of the two change-over switches (K1, K2), their contacts in the switching positions (a1b1) and (a2, b2), the equipment (31) and the interference suppression capacities (32, 33).
  • 3 also contains a control circuit (34) which serves exclusively to control the two changeover switches (K1, K2).
  • a high-frequency control signal (HF) is coupled to the contact positions (a1c1) and (a2c2) from an HF generator (35) via the coupling transformer (36) and the coupling capacitance (37) and is then coupled via the coupling capacitances (40) or (41) and the coupling transformers (38) and (39) are coupled out to the two amplifiers / logarithmers (42) and (43).
  • the coupling and decoupling of the high-frequency control signal (HF) is potential-free.
  • the RF signals (HF1) and (HF2) at the outputs of the two amplifiers (42) and (43) are assigned to the contact positions (a1c1) and (a2c2) of the changeover switches (K1) and (K2), respectively, and each two resistors (44,45) or (46, 47) and two A / D converters (48,49) or (50,51) on the inputs (52,53) and (54,55) of the two M- Processors (56) and (57) switched.
  • the A / D converter (48, 49, 50, 51) creates four digital signals which are fed to the two M processors (56, 57).
  • the M processor (5) in addition to the system control also the periodic control of all safety-related mechanical changeover switches, in the present case - for simplification - represented by the changeover switch (K).
  • the M processor (5) excites the changeover switch (K) via the control line (4), which must therefore drop from the working position (down) to the rest position (ac) during normal operation.
  • the high-frequency control signal (HF) generated by the HF generator (10) is fully switched through to the HF detector (13) via the coupling transformers (24, 25), the coupling capacitances (9, 10) and the switching position (ac) forwarded to the M processor (5) after amplification and digitization.
  • the structure of the switch (K) shows that it can only be in one of the two switch positions (ab) or (ac) at the same time; but not in both. If the HF signal (HF) is now switched through from the HF generator (10) to the HF detector (13), the normally closed contact (ac) must be closed, which means that the contact position (ab) is open.
  • the amplitude of the HF signal (HF) passed from the HF detector (13) to the M processor (5) is used as a criterion for assessing the functionality of the switch (K). If the RF signal (HF) is transmitted to the processor (5) with full amplitude (HFmax), the processor evaluates the functionality of (K) positively and assumes that this will remain the case for the short period until the next check.
  • the changeover switch (K) after de-excitation cannot fall into its rest position via the control line (4), e.g. because be Contact in the working position (ab) is glued or even welded. This would be a incorrect function of the downstream equipment cause what is in security-related applications could be very dangerous.
  • the RF signal can no longer fall from the RF generator (10) to the RF detector (13) can be switched through.
  • the M processor receives because of parasitic couplings (5) but a minimum RF signal attenuated by at least 48 db (HFmin) and therefore evaluates this control negatively. He then leads the necessary steps to bring the system into a safe state - e.g. by switching off.
  • the M processor (5) Since the M processor (5) "knows" when the changeover switch (K) is energized or de-energized, he can derive the derived from the received RF signals (HFmax, HFmin) Assess contact positions (ab) or (ac) as correct or as incorrect.
  • the function of the fully electronic circuit example according to FIG. 3 is characterized in that both its working circuit (30) and its control circuit (34) are constructed in two channels.
  • the equipment (31) can be disconnected from the mains twice - ie with increased safety - via two change-over switches (K1, K2) in their switching positions (a1c1) or (a2, c2), which means that the system can be operated safely Condition is brought.
  • Interfered interference of the HF signal (HF) generated in the HF generator (35) is derived separately for each changeover switch (K1, K2) via the interference suppression capacitors (32) or (33).
  • the two changeover switches (K1, K2) are also periodically checked using two channels.
  • the changeover switches (K1, K2) are de-energized by the two M process sensors (56) and (57) via the control lines (58) and (59), which causes their contacts to switch positions (a1, c1) and ( a2, c2) should fall off. If the changeover switch (K1) actually assumes the correct switching position (a1, c1), the HF signal (HF) generated by the HF generator (35) is transmitted via the amplifier (42), the resistors (44, 45) and the A / D converters (48, 49) are switched through at full amplitude (HFmax) to the two M processors (56, 57).
  • the switch (K2) is checked in parallel, the corresponding safety signals S being provided at the outputs (61, 63) of the two M processors (56) and (57). Alternatively, these can also take over the generation and detection of the high-frequency control signal (HF).
  • the control circuit (34) is also checked at the same time. If its elements, such as the HF generator (35), the amplifiers (42, 43) or the A / D converter (48, 49, 50, 51), fail individually or in combination, the M- Processor inputs (52, 53, 54, 55) connect at least one RF signal with amplitude 0 (HF0), from which the affected M processor (56, 57) concludes that there is an error in the control circuit.
  • the two M processors (56, 57) assign an error to the switch (K1) or the Switch (K2) or limit it with a code at the safety outputs (67, 68) to an element of the control circuit (34).
  • Both M processors (56, 57) have different hardware and software structures. Your security-related programs are programmed in different languages - designed by two analysts and written by two programmers.

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Abstract

Beim sicherheitstechnischen Einsatz elektro-mechanischer Schaltgeräte werden zwanggeführte Kontaktsätze bestehend aus Schliesser und Öffner je durch einen Umschalter (K) ersetzt, dessen Funktionstüchtigkeit mittels eines hochfrequenten Kontrollsignales (HF) periodisch und potentialfrei kontrolliert wird. Hierzu wird von einem HF-Generator (10) ein HF-Signal (HF) über Koppeltransformatoren (24 ) und (25) sowie Koppelkapazitäten (11) und (12) auf die Kontakte eines Umschalters (K) ein- bzw. ausgekoppelt und über einen HF-Detektor (13) mit Verstärker (22) und A/D-Wandler (23) auf einen anlagesteuernden M-Prozessor (5) übertragen. Entsprechend den Schaltstellungen (ab) und (ac) des Umschalters (K) erfolgt diese Übertragung mit minimaler Amplitude (HFmin) bzw. maximaler Amplitude (HFmax). Der M-Prozessor (5) bewertet die ihm über die Verbindungsleitung (14) zugeführten HF-Signale (HF) nach der Grösse ihrer Amplituden, wobei HFmin der Schaltstellung (ab), HFmax der Schaltstellubg (ac) und HFO einem Defekt im Kontrollkreis (7) entsprechen. Zur periodischen Kontrolle des Umschalters (K) wird dieser durch den M-Prozessor (5) über die Steuerleitung (4) entregt, worauf er in die Ruhestellung (ac) abfallen soll fälschlicherweise aber auch in der Arbeitsstellung (ab) hängen bleiben kann, z.B. wegen verschweissen der Kontakte. Je nach den vom M-Prozessor (5) nachfolgend empfangenen HF-Signalen (HFmax,HFmin) und (HF0) bewertet er die Funktionstüchtigkeit des Umschalters (K) bzw. des Kontrollkreises (7) und signalisiert dies an den Ausgängen (15) bzw. (16). Bei Anwendung für höhere Sicherheit, z.B. in fehlersicheren Schaltungen, kann die Einrichtung auch zweikanalig ausgebildet sein, mit zwei Umschaltern (K1,K2), und zwei sicherheitsgerecht zusammengeschalteten und programmierten M-Prozessoren (56,57). Die antragsgemässe Erfindung ermöglicht, durch optimale Nutzung eines anlagesteuernden M-Prozessors (5) bei der sicherheitstechnischen Anwendung von Relais und Schützen auf die Verwendung zwanggeführter Kontakte zu verzichten. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung -insbesondere für die Anwendung in der Sicherheitstechnik- zur Kontrolle der Schaltstellung mechanischer Schaltkontakte, enthaltend für jeden zu kontrollierenden Arbeitskontakt
einen diesem fest zugeordneten und von diesem potentialmässig getrennten, als Ruhekontakt wirkenden mechanischen Kontrollkontakt, sowie eine Kontrollschaltung zur Überwachung des Kontrollkontaktes mit einem auf diesen einwirkenden Generator zur Erzeugung eines Kontrollsignales und mit einem von diesem gespeisten Detektor zum Empfang des Kontrollsignales und mit einer Auswerteschaltung zur Abgabe eines Sicherheitssignales.
Einrichtungen der angegebenen Art dienen dem Erkennen und Sichern von fehlerhaften Kontaktstellungen bei elektro-mechanischen Schaltgeräten wie z.B. Relais oder Schütze. Sie genügen den Sicherheitsanforderungen nach EN 954-1, VDE 0801&A1 und IEC 61508 und sind deshalb allgemein bei Sicherheitseinrichtungen anwendbar wie z.B. für den Personenschutz bei gefährlichen Maschinen.
Der bisherige Stand der Technik beim sicherheitstechnischen Einsatz elektro-mechanischer Schaltgeräte wie z.B. Relais oder Schütze ist gekennzeichnet durch die periodische Kontrolle der zugehörigen Kontakte mittels je eines entsprechenden, zwanggeführten, mechanischen Gegenkontaktes, der Teil eines Kontrollkreises ist.
Wie allgemein bekannt, muss bei der sicherheitsgerechten Verschaltung mechanischer Kontakte die sichernde Funktion durch Unterbrechung des Arbeitskreises erfolgen, d.h. durch öffnen des entsprechenden Arbeitskontaktes. Arbeitskontakte bei Relais oder Schützen können aber kleben oder gar verschweissen, wodurch die sichernde Funktion nicht mehr ausgelöst werden kann.
Bei der scherheitstechnischen Anwendung mechanischer Kontakte ist es deshalb Standard, mit einem als Kontrollkontakt wirkenden Ruhekontakt das sichere Öffnen des entsprechenden Arbeitskontaktes periodisch zu kontrollieren. Hierzu sind der Arbeitskontakt und der ihn kontrollierende Ruhekontakt mit einer Brücke mechanisch miteinander verbunden, wobei diese Brücke aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. Eine solche Zwangführung genannte Verbindung zweier Kontakte verunmöglicht, dass sich diese relativ zueinander bewegen und gewährleistet so eine feste und auf Dauer gleichbleibende gegenseitige Zuordnung ihrer Schaltstellungen.
Wenn nun in einer solchen Anordnung der Arbeitskontakt (ein Schliesser) nicht öffnet, weil er z. B. verklebt ist, kann der Gegenkontakt (ein Öffner) gezwungenermassen d.h. mit hoher Sicherheit nicht schliessen. Dies wird in einem elektrisch vom Arbeitskontakt isolierten Kontrollkreis erkannt und durch ein Fehlersignal angezeigt, dass der Arbeitskontakt nicht geöffnet hat und die sichernde Funktion deshalb nicht mehr gewährleistet ist.
Dieses sicherheitstechnische Konzept beruht auf periodischer Kontrolle und ist dadurch charakterisiert, dass ein sicherheitsrelevanter Arbeitskontakt immer als Schliesser und der ihn kontrollierende Ruhekontakt immer als Öffner ausgebildet sind. Die damit erreichte Sicherheit entspricht der einer überwachten Nichtredundanz.
Im Gegensatz zum Nichtöffnen ist das Nichtschliessen eines Arbeitskontaktes sicherheitstechnisch nicht relevant, weil es lediglich den Betrieb der nachgeschalteten Betriebsmittel verhindert. Zudem würde dies auch sofort bemerkt. Es ist dehalb sicherheitstechnisch nicht notwendig das Schliessen eines Arbeitskontaktes zu kontrollieren.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, stellt sich die Aufgabe, die beim sicherheitstechnischen Einsatz elektro-mechanischer Schaltgeräte notwendige periodische Kontrolle der Kontaktstellungen mit elektronischen Mitteln zu gewährleisten und dabei auf die Verwendung zwanggeführter Gegenkontakte zu verzichten.
Diese Aufgabe wird mit der in den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruches beschriebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Darüber hinaus weist eine derart gestaltete Einrichtung bei mechanischen Schaltkontakten noch zusätzliche Vorteile auf.
Ein erster Vorteil ergibt sich aus dem Umstande, dass bei Sicherheitsschaltungen auf die Verwendung zwanggeführter Kontakte verzichtet werden kann. Hinzu kommt, dass die sicherheitstechnischen Alternativen elektronischer Art nach einem massiven Preiszerfall sehr kostengünstig geworden sind und wegen ihrer hohen Integrationsdichte für eine Vielzahl parallel laufender Funktionen eingesetzt werden können, z.B. zur Steuerung einer Anlage und zu deren Sicherung.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Beschreibung sowie der Zeichnung in ihrer Anwendung bei der Sicherung elektro-mechanischer Betriebsmittel näher erläutert, doch ist die hier gezeigte Einrichtung allgemein in der Sicherheitstechnik anwendbar. In der lediglich dieses Anwendungsbeispiel der Erfindung darstellenden Zeichnung zeigen:
Fig.1
schematisch, ein Blockschaltbild der erfindungsgemässen Einrichtung als Ersatz von zwanggeführten Kontakten bei elektro-mechanischen Schaltgeräten.
Fig. 2
schematisch, eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemässen Einrichtung nach Fig. 1 b zur Gewährleistung eines Sicherheitsniveaus entsprechend EN 954-1, Kat. 2.
Fig. 3
schematisch, eine detaillierte Darstellung einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Fig. 2, zur Gewährleistung eines Sicherheitsniveaus entsprechend EN 954-1, Kat. 4.
Fig.1 zeigt schematisch, als Blockschaltbild, die erfindungsgemässe Einrichtung als Ersatz zwanggeführter Kontakte z. B. bei einem Relais.
Gemäss Fig.1a besteht die bekannte Anordnung zwanggeführter Kontakte aus einem als Schliesser ausgebildeten Arbeitskontakt (1), einem als Öffner ausgebildeten Ruhekontakt/Kontrollkontakt (2), und einem Käfig (3), der die beiden Kontakte (1,2) mechanisch starr aber elektrisch isolierend miteinander verbindet. Dadurch sind die beiden Kontakte (1,2) in ihren Schaltstellungen einander eindeutig zugeordnet und potentialmässig voneinander getrennt. Diese Anordnung ermöglicht, aus dem Schliessen des Kontrollkontaktes (2) zu folgern, dass der zugehörige, sicherheitsrelevante Arbeitskontakt (1) tatsächlich geöffnet hat, d.h. nicht verklebt oder verschweisst ist.
Die eindeutige Zuordnung der Schaltstellungen zweier Kontakte sowie deren potentialmässige Trennung können aber auch mit der erfindungsgemässen Anordnung nach Fig.1b erreicht werden. Dabei ist an Stelle der in Fig. 1a gezeigten zwanggeführten Kombination Arbeitskontakt/Ruhekontakt (1, 2) ein Umschalter (K) mit Arbeitskontakt (ab) und gegenüberliegendem Kontrollkontakt (ac) vorgesehen, der über die Steuerleitung (4) mit dem die Anlage steuernden M-Prozessor (5) in Verbindung steht, und der in seiner Schaltstellung (ab) Teil eines Arbeitskreises (6) und in seiner Schaltstellung (ac) Teil eines Kontrollkreises (7) ist. Über die Schaltstellung (ab) des Umschalters (K) ist ein Arbeitsstrom zwischen den Klemmen (8) und (9) geschaltet z.B. zum Betrieb eines hier nicht weiter dargestellten Betriebsmittels. In seiner Schaltstellung (ac) dagegen ist im Kontrollkreis (7) ein HF-Signal (HF) von einem HF-Generator (10) über Koppelkapazitäten (11,12) zu einem HF-Detektor (13) geschaltet, der das empfangene HF-Signal über die Verbindungsleitung (14) an den M-Prozessor (5) weiterleitet. Dieser besitzt zwei Sicherheitsausgänge (15) und (16) zur Darstellung der Kontrollergebnisse für den Umschalters (K) bzw. für den Kontrollkreis (7).
Fig. 2 zeigt im Detail eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung nach Fig. 1b als integrierender Bestandteil einer voll elektronischen Anlagesteuerung unter Verwendung eines M- Prozessors (5).
Im Arbeitskreis (6) ist über die Schaltstellung (ab) des Umschalters (K) eine Betriebsspannung (V) auf ein Betriebsmittel (20) geschaltet. Zusätzlich ist im Arbeitskreis (6) zwischen der Arbeitsleitung und der virtuellen Erde eine Entstörkapazität (21) eingeschaltet, zur Ableitung von z.B. über parasitäre Kapazitäten aus dem Kontrollkreis (7) in den Arbeitskreis (6) eingestreuten Störungen des HF-Signales (HF).
Der Kontrollkreis (7) enthält einen HF-Generator (10) und einen HF-Detektor (13), die beide über Koppeltransformatoren (24,25), Koppelkapazitäten (11,12) und die Schaltstellung (ac) des Umschalters (K) miteinander verbunden sind. Der HF-Detektor (13) besteht aus einem Verstärker/Logarithmierer (22) und einem A/D-Wandler (23), zur Aufbereitung des empfangenen HF-Signales (HF) und seine Weiterleitung an den M-Prozessor (5) über die Verbindungsleitung (14). Wieder besitzt der M-Prozessor (5) zwei Ausgänge (15) und (16) zur Darstellung der Kontrollergebnisse für den Umschalter (K) bzw. für den Kontrollkreis (7). Die Koppeltransformatoren (24,25) und die Koppelkapazitäten (11,12) sind für eine Isolationsspannung von 4 kV ausgelegt.
Weiter steht der anlagesteuernde M-Prozessor (5) über die Steuerleitung (4) mit dem Umschalter (K) in Verbindung.
Fig. 3 stellt eine Weiterbildung der antragsgemässen Erfindung nach Fig. 2 dar, wobei mit Ausnahme des HF-Generators (35) und des Betriebsmittels (31) alle Schaltungselemente in doppelter Ausführung vorgesehen sind.
Mit K1 und K2 sind zwei Umschalter bezeichnet, deren Kontakte in Serie geschaltet sind und die in den Schaltstellungen (a1b1) bzw. (a2b2), als Teil des Arbeitskreises (30), ein Betriebsmittel (31) über die Klemmen 8 und 9 mit der Stromversorgung verbinden. Weiter sind mit den Entstörkapazitäten (32) und (33) die über parasitäre Kapazitäten auf die Arbeitsleitung eingestreuten HF-Anteile auf Erde abgeleitet. Der mit (30) bezeichnete Arbeitskreis besteht demnach aus den beiden Umschaltern (K1,K2), ihren Kontakten in den Schaltstellungen (a1b1) und (a2,b2), dem Betriebsmittel (31) sowie den Entstörkapazitäten (32, 33).
Weiter enthält die Fig. 3 einen Kontrollkreis (34), der ausschliesslich der Kontrolle der beiden Umschalter (K1,K2) dient. Hierzu ist von einem HF-Generator (35) über den Koppeltransformator (36) und die Koppelkapazität (37) ein hochfrequentes Kontrollsignal (HF) auf die Kontaktstellungen (a1c1) und (a2c2) eingekoppelt und von diesen über die Koppelkapazitäten (40) bzw. (41) und die Koppeltransformatoren (38) bzw. (39) auf die beiden Verstärker/Logarithmierer (42) bzw. (43) ausgekoppelt. Die Ein- und Auskopplung des hochfrequenten Kontrollsignales (HF) erfolgt dabei potentialfrei. Die HF-Signale (HF1) und (HF2) an den Ausgängen der beiden Verstärker (42) bzw. (43) sind den Kontaktstellungen (a1c1) bzw. (a2c2) der Umschalter (K1) bzw. (K2) zugeordnet und je über zwei Widerstände (44,45) bzw (46, 47) und zwei A/D-Wandler (48,49) bzw. (50,51) auf die Eingänge (52,53) und (54,55) der beiden M-Prozessoren (56) bzw. (57) geschaltet. Über die A/D-Wandler (48,49,50,51) entstehen also vier digitale Signale welche den beiden M-Prozessoren (56,57) zugeführt werden.
Diese sind an ihren Ausgängen über die Steuerleitungen (58) bzw. (59) auf die beiden zu überwachenden Umschalter (K1,K2) zurückgeführt und besitzen ausserdem je zwei Sicherheitsausgänge (60,61) bzw. (62,63), wobei die Kontrollergebnisse für die Umschalter (K1) und (K2) von jedem M-Prozessor (56,57) einzeln ermittelt und an den Ausgängen (60) bzw. (61) und (62) bzw. (63) zur Verfügung gestellt sind. An den Ausgängen (67) und (68) erscheint das Kontrollergebnis für den Kontrollkreis (34).
Die beiden M-Prozessoren (56,57) überwachen sich gegenseitig über die Verbindungsleitungen (64,65), und sie sind zum Informationsaustausch noch während den Teilberechnungen über den Datenlink (66) miteinander verbunden.
Arbeitskreis (30) und Kontrollkreis (34) sind zweikanalig aufgebaut, und die Schaltung nach Fig. 3 entspricht deshalb sicherheitstechnisch einer einfachen Redundanz mit Überwachung.
Die Funktionsweise der erfindungsgemässen Neuerung sei im folgenden anhand ihrer wesentlichen Funktion - nämlich der periodischen Kontrolle von Umschaltern (K,K1,K2) - erläutert und dabei auf die Figuren 1, 2 und 3 verwiesen. Ausgangspunkt ist die Überlegung, dass die Sicherheit elektro-mechanischer Schaltgeräte durch periodische Kontrolle ihrer Funktionstüchtigkeit in ausreichendem Masse gewährleistet werden kann.
In dem vollelektronischen, Schaltungsbeispiel nach Fig. 2 übernimmt der
M-Prozessor (5) neben der Anlagesteuerung auch die periodische Kontrolle aller sicherheitsrelevanten mechanischen Umschalter, im vorliegenden Falle - zur Vereinfachung - durch den Umschalter (K) dargestellt.
Hierzu entregt der M-Prozessor (5) über die Steuerleitung (4) den Umschalter (K), der demzufolge bei normaler Funktion aus der Arbeitsstellung (ab) in die Ruhestellung (ac) abfallen muss. Dadurch wird das vom HF-Generator (10) erzeugte hochfrequente Kontrollsignal (HF) über die Koppeltransformatoren (24,25), die Koppelkapazitäten (9,10) und die Schaltstellung (ac) voll zum HF-Detektor (13) durchgeschaltet, der es nach Verstärkung und Digitalisierung an den M-Prozessor (5) weiterleitet. Aus dem Aufbau des Umschalters (K) ist ersichtlich, dass er gleichzeitig nur in einer der beiden Schaltstellungen (ab) oder (ac) sein kann; nicht aber in beiden. Ist nun das HF-Signal (HF) vom HF-Generator (10) zum HF-Detektor (13) durchgeschaltet muss der Ruhekontakt (ac) geschlossen sein, woraus sich zwingend ergibt, dass die Kontaktstellung (ab) geöffnet ist. Dabei gilt die Amplitude des vom HF-Detektor (13) zum M-Prozessor (5) geleiteten HF-Signales (HF) als Kriterium zur Beurteilung der Funktionstüchtigkeit des Umschalters (K).
Wird das HF-Signal (HF) mit voller Amplitude (HFmax) zum Prozessor (5) übertragen, bewertet dieser die Funktionstüchtigkeit von (K) positiv und geht davon aus, dass dies für die kurze Zeitspanne bis zur nächsten Kontrolle so bleiben wird.
Im Gegensatz dazu ist es aber möglich, dass der Umschalter (K) nach Entregung über die Steuerleitung (4) nicht in seine Ruhestellung abfallen kann, z.B. weil sein Kontakt in der Arbeitslage (ab) verklebt oder gar verschweisst ist. Dies würde eine falsche Funktion der nachgeschalteten Betriebsmittel verursachen, was sich in sicherheitsrelevanten Anwendungen sehr gefährlich auswirken könnte. In diesem Falle kann das HF-Signal nicht mehr vom HF-Generator (10) auf den HF-Detektor (13) durchgeschaltet werden. Wegen parasitärer Kopplungen empfängt der M-Prozessor (5) aber doch ein um mindestens 48 db gedämpftes, minimales HF-Signal (HFmin) und bewertet deshalb diese Kontrolle negativ. Er leitet in der Folge die notwendigen Schritte ein, um die Anlage in den sicheren Zustand zu führen - z.B. durch abschalten.
Da der M-Prozessor (5) "weiss", wann der Umschalter (K) erregt oder entregt ist, kann er die aus den empfangenen HF-Signalen (HFmax,HFmin) abgeleiteten Kontaktstellungen (ab) oder (ac) als richtig oder als falsch beurteilen.
Die Funktion des vollelektronischen Schaltungsbeispieles nach Fig. 3 ist dadurch charakterisiert, dass sowohl sein Arbeitskreis (30) wie auch sein Kontrollkreis (34) zweikanalig aufgebaut sind.
Im Arbeitskreis (30) kann das Betriebsmittel (31) über zwei Umschalter (K1,K2) in ihren Schaltstellungen (a1c1) bzw. (a2,c2) zweifach - d.h. mit erhöhter Sicherheit - vom Netz getrennt werden, wodurch die Anlage in den sicheren Zustand gebracht wird. Eingestreute Interferenzen des im HF-Generator (35) erzeugten HF-Signales (HF) werden für jeden Umschalter (K1,K2) separat über die Entstörkapazitäten (32) bzw. (33) auf Erde abgeleitet.
Im Kontrollkreis (34) erfolgt die periodische Kontrolle der beiden Umschalter (K1, K2) ebenfalls zweikanalig. Hierzu werden die Umschalter (K1,K2) durch die beiden M-Prozesssoren (56) bzw. (57) über die Steuerleitungen (58) bzw. (59) entregt, wodurch ihre Kontakte in die Schaltstellungen (a1,c1) bzw. (a2, c2) abfallen sollen.
Nimmt in der Folge der Umschalter (K1) tatsächlich die korrekte Schaltstellung (a1,c1) ein wird das vom HF-Generator (35) erzeugte HF-Signal (HF) über den Verstärker (42), die Widerstände (44,45) und die A/D-Wandler (48, 49) mit voller Amplitude (HFmax) auf die beiden M-Prozessoren (56,57) durchgeschaltet. Diese interpretieren dieses Signal - unabhängig voneinander - wegen seiner grossen Amplitude (HFmax) als positives Kontrollergebnis und stellen an den Ausgängen (60) bzw. (62) entsprechende, positive Sicherheitssignale (S) zur Verfügung. Bleibt im Gegensatz dazu aber der Umschalter (K1) in seiner Arbeisstellung (a1b1) hängen, wird das kontrollierende HF-Signal infolge der geöffneten Schalterstellung (a1c1) mit grosser Dämpfung, d.h. mit nur minimaler Amplitude (HFmin) auf die M-Prozessoren (56, 57) durchgschaltet. Diese interpretieren dieses Signal - unabhängig voneinander - wegen der geringen Amplitude (HFmin) als negatives Kontrollergebnis, signalisieren dies mit negativen Sicherheitssignalen S an ihren Ausgängen (60) bzw. (62) und leiten, die Anlage sichernde Massnahmen ein.
In gleicher Weise erfolgt - parallel verlaufend - die Kontrolle für den Umschalter (K2), wobei die entsprechenden Sicherheitssignale S an den Ausgängen (61, 63) der beiden M-Prozessoren (56) bzw. (57) bereit gestellt werden. Diese können alternativ auch die Generierung und Detektierung des hochfrequenten Kontrollsignales (HF) übernehmen.
Zusammen mit den Umschaltern (K1,K2) wird gleichzeitig auch der Kontrollkreis (34) kontrolliert. Fallen nämlich seine Elemente, wie z.B. der HF-Generator (35), die Verstärker (42, 43) oder die A/D-Wandler (48,49,50,51), einzeln oder in Kombination aus, steht an den M-Prozessoreingängen (52,53,54,55) mindestens ein HF-Signal mit Amplitude 0 (HF0) an, woraus der betroffene M-Prozessor (56,57) auf einen Fehler im Kontrollkreis schliesst. Aufgrund des an den M-Prozessoreingängen (52,53,54,55) anstehenden Musters an HF-Signalen (HFmax, HFmin, HF0) ordnen die beiden M-Prozessoren (56,57) einen Fehler dem Umschalter (K1), oder dem Umschalter (K2) zu, oder grenzen ihn mit einem Code an den Sicherheitsausgängen (67,68) auf ein Element des Kontrollkreises (34) ein.
Beide M-Prozessoren (56,57) sind hard - und softwaremässig unterschiedlich aufgebaut. Ihre sicherheitsrelevanten Programme sind in unterschiedlichen Sprachen programmiert - konzipiert durch zwei Analytiker und geschrieben durch zwei Programmierer.

Claims (10)

  1. Einrichtung in der Sicherheitstechnik zur Kontrolle der Schaltstellung mechanischer Schaltkontakte enthaltend für jeden zu kontrollierenden Arbeitskontakt einen diesem fest zugeordneten und von diesem potentialmässig getrennten, als Ruhekontakt wirkenden mechanischen Kontrollkontakt, eine Kontrollschaltung zur Überwachung des Kontrollkontaktes mit einem auf diesen einwirkenden Generator zur Erzeugung eines Kontrollsignales und mit einem von diesem gespeisten Detektor zum Empfang des Kontrollsignales und mit einer Auswerteschaltung zur Abgabe eines Sicherheitssignales
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Umschalter (K) in seiner Arbeitsstellung (ab) Teil eines Arbeitskreises (6) und in seiner Ruhestellung (ac) Teil eines vom Arbeitskreis (6) potentialmässig getrennten Kontrollkreises (7) ist, wobei in der Arbeitsstellung (ab) des Umschalters (K) im Arbeitskreis (6) ein Arbeitsstrom auf zugehörige Betriebsmittel (20) geschaltet ist und in der Ruhestellung (ac) des Umschalters (K) im Kontrollkreis (7) ein als HF-Signal (HF) ausgebildetes Kontrollsignal von einem HF-Generator (10) über der Potentialtrennung dienende Koppeltransformatoren (24,25) und Koppelkapazitäten (11,12), und einen HF-Detektor (13) mit Verstärker/Logarithmierer (22) und A/D-Wandler (23) auf einen, die Amplituden des empfangenen HF-Signales (HF) den entsprechenden Kontaktstellungen (ab) und (ac) des Umschalters (K) zuordnenden, ein anlagesteuernd wirksames Sicherheitssignal (S) erzeugenden M-Prozessor (5) geschaltet ist.
  2. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass das über die Schaltstellung (ac) des Umschalters (K) geschaltete HF-Signal (HF) ein hochfrequentes Sinus- oder Impulssignal ist oder einen telegrammartigen Aufbau besitzt.
  3. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass das über die Schaltstellung (ac) des Umschalters (K) geschaltete HF-Signal (HF) doppelt dynamisch ausgebildet ist, eine Frequenz von mindestens 455 kHz aufweist und periodisch, mindestens alle 30 ms, mit einer Impuldauer von 3 ms getaktet ist.
  4. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des vom HF-Detektor (13) über die Verbindungsleitung (14) an den M-Prozessor (5) übertragenen HF-Signales (HF) Kriterium ist für die Beurteilung der Funktionstüchtigkeit des Umschalters (K) sowie des Kontrollkreises (7), wobei gilt
    HF-Signal (HF) = HFmax Umschalter K ist funktionstüchtig
    HF-Signal (HF) = HFmin Umschalter K ist nicht funktionstüchtig
    kein HF-Signal (HF) = HF0 Kontrollkreis ist defekt.
  5. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Stellung (ab) des Umschalters (K) für das HF-Signal (HF) zwischen HF-Generator (10) und HF-Detektor (13) eine Dämpfung von mindestens 48 db gewährleistet ist.
  6. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass zur HF-mässigen Entkopplung zwischen dem Arbeitskreis (6) und dem Kontrollkreis (7) eine Entstörkapazität (21) zwischen Arbeitsleitung und Erde eingeschaltet ist.
  7. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskreis (30) und der Kontrollkreis (34) je zweikanalig aufgebaut sind, und die Kontrollsignale (HF1,HF2) an den Ausgängen der beiden Verstärker (42) bzw. (43) je über die Widerstände (44,45) bzw. (46,47), die AD-Wandler (48,49) bzw. (50,51) auf jeden der beiden M-Prozessore (56,57) geschaltet sind.
  8. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 7
    dadurch gekennzeichnet, dass die beiden M-Prozessoren (56,57) zur gegenseitigen Überwachung und zum gegenseitigen Informationsaustausch über die Verbindungsleitungen (64,65) bzw über den Datalink (66) miteinander verbunden sind.
  9. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 7
    dadurch gekennzeichnet, dass die beiden M-Prozessoren (56,57) zur hardwaremässigen Diversität hardwaremässig unterschiedlich aufgebaut sind und hierzu Wortlängen von z.B. 8 und 16 Bit aufweisen.
  10. Einrichtung in der Sicherheitstechnik nach Anspruch 7
    dadurch gekennzeichnet, dass die beiden M-Prozessoren (56,57) zur softwaremässigen Diversität in unterschiedlichen Sprachen programmiert sind, z:B. in Assembler und in C.
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